• Energy Research

This study focused on investigating the bottoming power cycles operating with CO2-based binary mixture, taking into account exergetic, economic and exergo-environmental impact indices. The main intent is to assess the benefits of employing a CO2-based mixture working fluid in closed Brayton bottoming power cycles in comparison with pure CO2 working fluid. Firstly, selection criteria for the choice of suitable additive compound for CO2-based binary mixture is delineated and the composition of the binary mixture is decided based on required cycle minimum temperature. The decided CO2-C7H8 binary mixture with a 0.9 mole fraction of CO2 is analyzed in two cycle configurations: Simple regenerative cycle (SRC) and Partial heating cycle (PHC). Comparative analysis among two configurations with selected working fluid are carried out. Thermodynamic analyses at varying cycle pressure ratio shows that cycle with CO2-C7H8 mixture shows maximum power output and exergy efficiency at rather higher cycle pressure ratio compared to pure CO2 power cycles. PHC with CO2-C7H8 mixture shows 28.68% increment in exergy efficiency with the levelized cost of electricity (LCOE) 21.62% higher than pure CO2 PHC. Whereas, SRC with CO2-C7H8 mixture shows 25.17% increment in exergy efficiency with LCOE 57.14% higher than pure CO2 SRC. Besides showing lower economic value, cycles with a CO2-C7H8 mixture saves larger CO2 emissions and also shows greater exergo-environmental impact improvement and plant sustainability index.

This research paper explores the potential of wind turbine power plants as a sustainable energy solution for addressing energy deprivation in the Panjgur region of Balochistan. Balochistan, an area with limited access to traditional energy sources, suffers from chronic electricity shortages, hindering its socio-economic development. This study examines the feasibility of harnessing wind energy through establishing wind turbine power plants. This paper discusses the technical aspects of wind turbine technology, including turbine designs, capacities, and power generation potential. The findings highlight the viability of wind turbine power plants as a renewable energy source to alleviate the energy crisis in the region and promote sustainable development at a very reasonable price.

Owing to high energy-intensive operations, cement production is responsible for global 6–8% of CO2 emissions and, thus, can be a major contributor in the net zero mission. Pakistan’s cement industry can produce 69 million tons of cement per year and has an overall share of 5.3% in economy. One ton of cement production releases approximately one ton of carbon dioxide. Therefore, it is necessary to decarbonize this industry. Two strategies can be employed (waste heat utilization and CO2 capturing) for the decarbonization of the cement industry. This comprehensive review article is focused on the waste heat recovery potential and the technologies employed to utilize this potential for the cement industry of Pakistan.

Cet article traite de l'optimisation thermodynamique des cycles de recompression de CO2 supercritique et de refroidissement partiel fonctionnant à la température maximale du cycle de 680 °C et à la pression maximale de 250 bar. L'objectif principal est d'étudier les effets de la variation de la température du dissipateur thermique (température de l'air ambiant), de la fraction de masse (X) et de la pression minimale du cycle (Pmin) sur l'efficacité thermique des cycles de puissance. La méthode de surface de réponse (RSM) est adoptée pour créer une équation polynomiale de second ordre afin de développer la relation entre l'efficacité thermique du cycle et les variables de décision sélectionnées et de trouver l'efficacité optimale globale du cycle. De plus, la classification du paramètre de cycle le plus influent est effectuée à l'aide de l'approche ANOVA. Dans le cas d'un cycle de recompression, les résultats démontrent que la température du dissipateur thermique a le plus grand impact sur l'efficacité thermique, en raison de la faible valeur p et de la valeur F élevée, suivies de la fraction de fractionnement massique et de la pression minimale. Dans un cycle de refroidissement partiel, la pression minimale a l'impact le plus significatif sur l'efficacité thermique du cycle, suivie de la fraction de masse et de la température du dissipateur thermique. La combinaison optimale globale pour le cycle de recompression est à la température du dissipateur thermique de 20 °C, la fraction de masse divisée de 0,3182 et une pression minimale de 89 bar pour obtenir le rendement thermique le plus élevé de 0,4963. En outre, la combinaison optimale globale pour le cycle de refroidissement partiel est à une température de dissipation thermique de 32,8 °C, une fraction de masse de 0,34 et une pression minimale de 76 bar, ce qui entraîne une efficacité thermique optimale de 0,4708. Este documento trata sobre la optimización termodinámica de la recompresión de CO2 supercrítico y los ciclos de enfriamiento parcial que operan a una temperatura máxima del ciclo de 680 ° C y una presión máxima de 250 bar. El objetivo principal es investigar los efectos de la variación en la temperatura del disipador de calor (temperatura del aire ambiente), la fracción de división de masa (X) y la presión mínima del ciclo (Pmin) en la eficiencia térmica de los ciclos de potencia. El método de superficie de respuesta (RSM) se adopta para crear una ecuación polinómica de segundo orden con el fin de desarrollar la relación entre la eficiencia térmica del ciclo y las variables de decisión seleccionadas y para encontrar la eficiencia óptima global del ciclo. Además, la clasificación del parámetro del ciclo más influyente se lleva a cabo utilizando el enfoque ANOVA. En el caso de un ciclo de recompresión, los resultados demuestran que la temperatura del disipador de calor tiene el mayor impacto en la eficiencia térmica, debido al bajo valor p y al alto valor F, seguido de la fracción de división de masa y la presión mínima. En un ciclo de enfriamiento parcial, la presión mínima tiene el impacto más significativo en la eficiencia térmica del ciclo, seguida de la fracción de división de masa y la temperatura del disipador de calor. La combinación óptima global para el ciclo de recompresión es a la temperatura del disipador de calor de 20 ° C, la fracción de división de masa de 0.3182 y una presión mínima de 89 bar para obtener la mayor eficiencia térmica de 0.4963. Además, la combinación óptima global para el ciclo de enfriamiento parcial es a una temperatura del disipador de calor de 32,8 °C, una fracción de división de masa de 0,34 y una presión mínima de 76 bar, lo que da como resultado una eficiencia térmica óptima de 0,4708. This paper deals with thermodynamic optimization of supercritical CO2 recompression and partial cooling cycles operating at cycle maximum temperature of 680°C and maximum pressure of 250 bar. The primary goal to investigate the effects of variation in heat sink temperature (ambient air temperature), mass split fraction (X), and cycle minimum pressure (Pmin) on the thermal efficiency of the power cycles. Response surface method (RSM) is adopted to create a second-order polynomial equation in order to develop the relationship between cycle thermal efficiency and selected decision variables and to find global optimum cycle efficiency. In addition, classification of most influencing cycle parameter is carried out using ANOVA approach. In the case of a recompression cycle, the results demonstrate that heat sink temperature has the greatest impact on thermal efficiency, owing to low p-value and high F-value, followed by mass split fraction and minimum pressure. In a partial cooling cycle, the minimum pressure has the most significant impact on cycle thermal efficiency, followed by the mass split fraction and heat sink temperature. The global optimum combination for the recompression cycle is at heat sink temperature of 20°C, the mass split fraction of 0.3182, and a minimum pressure of 89 bar to obtain the highest thermal efficiency of 0.4963. In addition, the global optimum combination for partial cooling cycle is at heat sink temperature of 32.8 °C, mass split fraction of 0.34, and minimum pressure of 76 bar, which results in an optimum thermal efficiency of 0.4708. تتناول هذه الورقة تحسين الديناميكا الحرارية لإعادة ضغط ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج ودورات التبريد الجزئي التي تعمل عند درجة حرارة قصوى للدورة تبلغ 680 درجة مئوية وضغط أقصى يبلغ 250 بار. الهدف الأساسي للتحقيق في آثار التباين في درجة حرارة المشتت الحراري (درجة حرارة الهواء المحيط)، والجزء المقسم للكتلة (X)، والحد الأدنى لضغط الدورة (Pmin) على الكفاءة الحرارية لدورات الطاقة. تم اعتماد طريقة سطح الاستجابة (RSM) لإنشاء معادلة متعددة الحدود من الدرجة الثانية من أجل تطوير العلاقة بين الكفاءة الحرارية للدورة ومتغيرات القرار المختارة وإيجاد كفاءة الدورة المثلى العالمية. بالإضافة إلى ذلك، يتم تصنيف معلمة الدورة الأكثر تأثيرًا باستخدام نهج ANOVA. في حالة دورة إعادة الضغط، تظهر النتائج أن درجة حرارة المشتت الحراري لها أكبر تأثير على الكفاءة الحرارية، بسبب انخفاض قيمة p وارتفاع قيمة F، تليها جزء تقسيم الكتلة والحد الأدنى من الضغط. في دورة التبريد الجزئي، يكون للضغط الأدنى التأثير الأكثر أهمية على الكفاءة الحرارية للدورة، يليه جزء تقسيم الكتلة ودرجة حرارة المشتت الحراري. يكون المزيج الأمثل العالمي لدورة إعادة الضغط عند درجة حرارة بالوعة الحرارة 20 درجة مئوية، والجزء المقسم للكتلة 0.3182، وضغط لا يقل عن 89 بار للحصول على أعلى كفاءة حرارية تبلغ 0.4963. بالإضافة إلى ذلك، فإن المزيج الأمثل العالمي لدورة التبريد الجزئي يكون عند درجة حرارة بالوعة الحرارة 32.8 درجة مئوية، وجزء مقسم للكتلة 0.34، وضغط 76 بار كحد أدنى، مما يؤدي إلى كفاءة حرارية مثالية تبلغ 0.4708.

The purpose of this techno-economic study is to investigate the potential of the implementation of standalone photovoltaic (PV) energy systems in rural areas of Quetta, Pakistan. This study focuses on alleviating the region’s energy crisis and giving the local population access to clean and sustainable energy. The technique used entails data collection, load demand analysis, technical and economic evaluation, site selection, and data interpretation. The findings and discussion provide an estimate of PV energy systems’ lifetime costs, annual maintenance expenses, and energy prices. The results show that standalone PV energy systems are a feasible and financially viable option for electricity generation in Quetta’s rural areas that operates via monitoring the economic development and environmental sustainability of the region. Three plants are proposed for generating 26.8 KW, 15 KW, and 6.8 KW of power, and it is demonstrated that green and clean energy can be provided for domestic consumers at reasonable unit costs of PKR. 21.33, PKR. 21.9, and PKR. 23.89, respectively.